MEMORIA DESCRIPTIVA

CAMPO DE APLICACIÓN

[0001] La invención se refiere a la calibración de antenas mediante vehículos aéreos autónomos o no tripulados (UAVs) o drones. En particular, la invención describe un sistema y un método para calibrar antenas mediante un UAV que se posiciona en forma remota, portando una fuente emisora de señales o emisor de señales conocido, en donde las señales emitidas son recibidas por la antena o receptor y utilizadas en su calibración. El sistema y método de la invención son aplicables a diversos tipos de antenas que reciben o capturan señales, por ejemplo, a los radiotelescopios usados en estudios astronómicos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0002] Las antenas o receptores utilizados para recibir señales deben calibrarse para ajustar sus parámetros de operación y con ello medir o registrar datos de señales con un error de medición aceptable dependiendo del campo de aplicación. En astronomía, así como en otras aplicaciones, se requiere una alta precisión en la medición y registro de señales recibidas, siendo el proceso de calibración uno muy importante en la puesta en marcha y mantenimiento de antenas.

[0003] Usualmente, la calibración se realiza mediante fuentes de señales naturales o artificiales conocidas, que son recibidas por la antena a calibrar. Como dichas señales son conocidas, es posible ajustar los parámetros de operación de la antena para ajustar la medición realizada a las características de dichas señales. En algunos casos, como en los radiotelescopios, se utilizan fuentes de señales naturales para calibración, por ejemplo, fuentes astronómicas previamente estudiadas cuyos espectros de emisión y características se conocen con cierto nivel de detalle. Sin embargo, al depender de mediciones previas, dicho método de calibración puede introducir un error considerable en el proceso, perjudicando la confiabilidad de las nuevas mediciones a realizar con la antena que se está calibrando. Además, para algunos estudios específicos existen pocas o nulas fuentes de señales naturales conocidas, dificultando o incluso imposibilitando la calibración de antenas para realizar dichos estudios.

[0004] En la búsqueda de alternativas que mejoren el proceso de calibración de antenas, se ha propuesto el uso de fuentes de señales artificiales, cuyas características son conocidas con alta precisión, mejorando notoriamente la precisión de la calibración. Si bien esta aproximación es fácilmente aplicable en el caso de antenas con capacidad para recibir señales emitidas en tierra, es poco útil para el caso de antenas cuya sensibilidad y/o configuración requiere de una señal proveniente desde el aire. Para hacer frente a este problema se han desarrollado soluciones dirigidas a colocar fuentes de señales artificiales en vehículos voladores, siendo los UAVs especialmente prácticos para estos efectos. Por ejemplo, la publicación titulada “Beam Calibration of Radio Telescopes with Drones” ¹ , de Chang et al., se emplean drones para la calibración del haz de radiotelescopios, portando un transmisor de ruido conocido, configurado para emitir señales conocidas y ajustadas al estudio específico que se plantea en dicha publicación.

[0005] Otro ejemplo de publicación donde se divulga el uso de UAVs en la caracterización de antenas corresponde a la publicación US2016088498A1 de Sharawi, en donde se divulgan aspectos generales de un UAV utilizado para la caracterización de la radiación de antenas. Es importante destacar que en la publicación US2016088498A1, así como en la gran mayoría de antecedentes donde se emplean UAVs en conjunción con antenas, el objeto principal es medir en el UAV la radiación emitida desde la antena, es decir, en sentido contrario al que plantea la invención, donde se mide en la antena una señal emitida desde el UAV.

[0006] El uso de UAVs en la caracterización y/o calibración de antenas o receptores amplía notoriamente la posibilidad de usar fuentes de señales artificiales en el proceso de calibración, lo que mejoraría sustancialmente la precisión del ajuste de los parámetros de operación de la antena calibrada. Sin embargo, esta configuración de calibración también introduce dificultades, que deben ser resueltas para que el uso de UAVs tenga una aplicación real en la práctica. A modo de ejemplo, durante el proceso de calibración resulta imprescindible conocer la ubicación del UAV con alta precisión, no siendo posible utilizar sistemas convencionales de posicionamiento como el GPS, cuya precisión es de algunos metros. En estos casos se requiere de sistemas de posicionamiento más especializados, como el GPS diferencial, que entrega precisiones de 1-2 cm. Sin embargo, dichos sistemas de posicionamiento especializados siguen siendo poco precisos en determinar ángulos de posición del UAV en vuelo (p.ej. alabeo, cabeceo y guiñada del UAV), no siendo posible obtener precisiones mejores a 1 grado mediante posicionamiento GPS. De la misma manera, la fuente de señales que es portada por el UAV debe tener una orientación conocida con respecto al receptor, cuya determinación no es sencilla producto de las constantes variaciones en los ángulos de vuelo de este tipo de vehículos.

[0007] Al respecto, la publicación de Chang et al. reconoce dichos problemas y, por ejemplo, propone soluciones asociadas a las capacidades de vuelo del UAV, al uso combinado de sistemas de GPS de alta precisión y altímetro barométrico, y a la implementación de un soporte del tipo gimbal para sostener la fuente de señales, que corresponde a un estabilizador mecánico conocido capaz de mantener fija la fuente de señales mientras absorbe o contrarresta los movimientos del UAV. Sin perjuicio de lo anterior, en la práctica se ha encontrado que dichas soluciones no permiten entregar los niveles de precisión requeridos en la mayoría de los estudios astronómicos, requiriéndose de otro tipo de soluciones para mejorar la precisión con la que se determina la posición y orientación del UAV.

[0008] Buscando mejorar la precisión en la determinación de la posición y orientación del UAV surgen otro tipo de soluciones como la descrita en la publicación titulada “Research on the Measurement of Antennas Radiation Characteristics Based on Small Unmanned Aerial Vehicle

¹ https://iopscience.iop.org/article/10.1086/683467 Platform” ² , de Zhang et al., en donde se propone un sistema de posicionamiento referenciado en tierra, que implementa un terminal móvil y una estación base, entregando un nivel de precisión de unos pocos centímetros. Además, dicho sistema de posicionamiento se combina con una unidad de medición inercial (IMU) en el UAV, conociendo los ángulos de inclinación del UAV en el tiempo. Si bien dicha solución permite aumentar la precisión en la determinación de posición y orientación del UAV, requiere de equipos especializados que no aseguran la obtención de datos útiles en aplicaciones donde se requiere conocer el ángulo de polarización de la señal de calibración, por ejemplo, para calibrar antenas utilizadas en mediciones del campo de polarización de radiación de fondo cósmico (Cosmic Microwave Background, CMB).

[0009] En consecuencia, existe la necesidad de contar con un sistema y metodología capaces de ofrecer una solución para la calibración de antenas mediante UAVs con alta precisión, evitando el uso de equipos de alto costo y complejidad, capaz de implementarse en la calibración de antenas de alta sensibilidad y remotas, como los radiotelescopios utilizados en estudios astronómicos.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

[0010] En sus aspectos generales, la invención describe un sistema y un método para calibrar antenas mediante un UAV. Dicho UAV porta una fuente emisora de señales o emisor de señales conocidas de manera que, al posicionar el UAV en forma remota a la antena, señales conocidas son emitidas desde la fuente y recibidas por la antena o receptor, para su registro como datos detectados. Con ello, en forma posterior o simultáneamente, los datos detectados por la antena son sincronizados con los datos de posición y ángulo de la fuente de señales conocidas, obteniendo un conjunto de datos de calibración que permiten calibrar la antena, contrastando objetivamente los datos detectados por la antena con características de las señales conocidas emitidas desde la fuente.

[0011] En consecuencia, uno de los principales objetivos de la invención es proporcionar un sistema y método para calibrar antenas con alta precisión, mediante el uso de al menos un UAV que porta una fuente de señales conocidas.

[0012] Un objetivo específico de la invención es proporcionar un sistema y método para calibrar antenas en donde la posición de la fuente de señales es determinada con precisión en tiempo real, en donde además el ángulo de la señal emitida es determinado con precisión en tiempo real.

[0013] Otro objetivo específico de la invención es utilizar captura de imágenes desde el UAV y técnicas de fotogrametría para obtener la posición y ángulo de la fuente de señales, mediante al menos una cámara portada por el UAV.

[0014] Otro objetivo específico de la invención es proporcionar un soporte de fuente de señales robusto y de bajo peso, capaz de albergar de forma segura la fuente de señales, electrónica asociada y la al menos una cámara asociada al posicionamiento del UAV, asegurando una alineación constante entre componentes durante el vuelo del UAV.

² https://doi.org/10.1016Zj.procs.2018.04.229 [0015] Otro objetivo específico de la invención es determinar la alineación entre la al menos una cámara asociada al posicionamiento del UAV y las señales emitidas por fuente de señales, específicamente entre las imágenes capturadas por la cámara y las señales emitidas por la fuente, obteniendo una relación espacial entre los datos de posicionamiento y las señales emitidas.

[0016] Otros objetivos específicos de la invención se hacen evidentes en relación con la descripción de los componentes del sistema y etapas del método propuestos, siendo parte integral de la presente invención.

[0017] Para atender dichos objetivos, la invención propone un sistema para calibrar antenas, que comprende:

- al menos un vehículo aéreo no tripulado (UAV);

- al menos una zona objetivo que rodea al menos una antena; y

- al menos una unidad de procesamiento.

[0018] De acuerdo con la invención, el al menos un UAV porta al menos una fuente de señales y al menos una cámara, de manera que, durante un vuelo del al menos un UAV, la al menos una fuente de señales y la al menos una cámara son orientables hacia la al menos una antena. Además, la al menos una zona objetivo comprende una pluralidad de marcadores dispuestos en la cercanía de la al menos una antena, en donde cada uno de la pluralidad de marcadores tiene una posición geográfica predeterminada.

[0019] Además, la al menos una fuente de señales está configurada para emitir al menos una señal de características predeterminadas durante el vuelo del al menos un UAV. La al menos una señal emitida es detectable por la al menos una antena para obtener datos detectados. De acuerdo con una modalidad, la al menos una fuente de señales puede comprender al menos una unidad de control para controlar características de la al menos una señal emitida y al menos un polarizador de rejilla de alambre para proporcionar señales polarizadas. La al menos una unidad de control y el al menos un polarizador pueden estar configurados para que la al menos una señal emitida tenga características de potencia, frecuencia y polarización detectables por la al menos una antena. Además, la al menos una unidad de control y el al menos un polarizador permiten manipular las características de la al menos una señal emitida para cambiar los parámetros a calibrar en la al menos una antena y/o para simular condiciones operativas diferentes, según condiciones operacionales o determinaciones previas de un usuario.

[0020] Por otra parte, la al menos una cámara está configurada para capturar al menos una secuencia de imágenes de la al menos una zona objetivo durante el vuelo del al menos un UAV. La al menos una secuencia de imágenes se denomina datos de imágenes, en donde dichos datos de imágenes son procesables para obtener datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida. De acuerdo con una modalidad, los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida pueden ser obtenidos mediante un análisis de los datos de imágenes usando técnicas de fotogrametría. En este contexto, los datos de imágenes sirven para monitorear una posición relativa de la pluralidad de marcadores durante el vuelo con respecto a cada imagen de la secuencia de imágenes. Luego, en base a dicha posición relativa y la posición geográfica predeterminada de cada uno de la pluralidad de marcadores, al menos una unidad de procesamiento es capaz de determinar un sistema de posicionamiento absoluto para la fuente de señales y, en base al mismo, reconstruir la posición de dicha fuente de señales durante el vuelo del al menos un UAV.

[0021] Finalmente, la al menos una unidad de procesamiento del sistema está configurada para sincronizar los datos detectados por la al menos una antena con los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida, obteniendo un conjunto de datos que son útiles para calibración.

[0022] De acuerdo con una modalidad de la invención, el al menos un UAV comprende un soporte montado al al menos un UAV mediante un estabilizador. El estabilizador puede ser un estabilizador mecánico del tipo gimbal. El soporte está configurado para contener a la al menos una fuente de señales y a la al menos una cámara de manera fija, manteniendo fija una posición geométrica relativa entre ambos componentes. En efecto, de acuerdo con la modalidad preferente, la al menos una cámara se encuentra alineada con la fuente de señales, en particular, alineada con el al menos un polarizador de rejilla de alambre de dicha fuente, de manera que se conoce un ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y un plano de imagen de la al menos una cámara, dicho plano de imagen siendo ortogonal a un eje de la al menos una cámara.

[0023] El ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y el plano de imagen de la al menos una cámara se determina de manera previa, una vez que la al menos una fuente de señales y la al menos una cámara están dispuestos en relación con el UAV, preferentemente, fijos en el soporte. La determinación de dicho ángulo relativo se efectúa haciendo pasar al menos un haz láser a través del al menos un polarizador de rejilla de alambre, de manera que se genera un patrón de difracción que es proyectado en un plano ortogonal al plano de imagen. Dicho patrón proyectado es indicativo del ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y el plano de imagen de la al menos una cámara, permitiendo determinar dicho ángulo con alta precisión.

[0024] En relación con el método, la invención define un método para calibrar antenas, que comprende las siguientes etapas: a) posicionar en vuelo al menos un vehículo aéreo no tripulado (UAV), dentro de un espacio aéreo circundante a al menos una antena, en donde dicha al menos una antena se encuentra rodeada por al menos una zona objetivo que comprende una pluralidad de marcadores dispuestos en la cercanía de la al menos una antena, en donde cada uno de la pluralidad de marcadores tiene una posición geográfica predeterminada; b) emitir al menos una señal de características predeterminadas durante el vuelo del al menos un UAV, mediante al menos una fuente de señales portada en el al menos un UAV y que es orientable hacia la al menos una zona objetivo, en donde dicha al menos una señal emitida es detectable por la al menos una antena para obtener datos detectados; c) en forma simultánea a la etapa b), capturar al menos una secuencia de imágenes de la al menos una zona objetivo durante el vuelo del al menos un UAV, mediante al menos una cámara portada en el al menos un UAV y que es orientable hacia la al menos una zona objetivo, en donde dicha al menos una secuencia de imágenes se denomina datos de imágenes, y en donde dichos datos de imágenes son procesables para obtener datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida; d) sincronizar los datos detectados con los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida, mediante al menos una unidad de procesamiento, obteniendo un conjunto de datos para calibración; y e) calibrar la al menos una antena, ajustando parámetros de operación de la al menos una antena en función del conjunto de datos para calibración.

[0025] De acuerdo con una modalidad, el método puede comprender complementar los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida con datos de posicionamiento GPS, mediante una unidad de posicionamiento del tipo GPS de alta precisión que puede estar comprendida y dispuesta en el al menos un UAV.

[0026] De acuerdo con una modalidad, el método además comprende controlar características de la al menos una señal emitida, mediante al menos una unidad de control conectada a la al menos una fuente de señales. Como se ha planteado, la al menos una señal emitida puede ser una señal polarizada mediante al menos un polarizador de rejilla de alambre dispuesto en la al menos una fuente de señales. La al menos una unidad de control y el al menos un polarizador de rejilla de alambre pueden estar configurados para que la al menos una señal emitida tenga características de potencia, frecuencia y polarización detectables por la al menos una antena.

[0027] De acuerdo con una modalidad, antes de la etapa a), el método puede comprender alinear la al menos una cámara con el al menos un polarizador de rejilla de alambre. De esta manera, es posible conocer el ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y un plano de imagen de la al menos una cámara. Como se ha planteado, el ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y el plano de imagen de la al menos una cámara se determina previamente, haciendo pasar al menos un haz láser a través del al menos un polarizador de rejilla de alambre, de manera que se genera un patrón de difracción que es proyectado en un plano ortogonal al plano de imagen.

[0028] El método además puede comprender el empleo de técnicas de fotogrametría para obtener los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida. A partir de un análisis de los datos de imágenes con técnicas fotogramétricas, y mediante al menos una unidad de procesamiento, es posible:

- mediante los datos de imágenes, monitorear una posición relativa de la pluralidad de marcadores durante el vuelo con respecto a cada imagen de la secuencia de imágenes, y

- en base a dicha posición relativa monitoreada y la posición geográfica predeterminada de cada uno de la pluralidad de marcadores, determinar un sistema de posicionamiento absoluto para la fuente de señales y reconstruir la posición de dicha fuente de señales durante dicho vuelo.

[0029] Finalmente, como parte de la invención también se ha desarrollado un método para obtener el ángulo de polarización de un polarizador de rejilla de alambre, mediante las siguientes etapas:

- disponer el polarizador de rejilla de alambre de manera fija frente a un plano;

- hacer pasar al menos un haz láser a través del polarizador, generando un patrón de difracción dado por una orientación de unos alambres que forman el polarizador de rejilla de alambre, en donde dicho patrón de difracción se proyecta sobre el plano; y

- determinar el ángulo de polarización del polarizador de rejilla de alambre en base al patrón de difracción que se proyecta sobre el plano.

[0030] Este método no solo es útil en el contexto de la invención, para alinear la fuente de señales con la cámara, sino que también permite obtener el ángulo de polarización dado por el polarizador de rejilla de alambre de una forma diferente a la usual, que comúnmente se basa en medios mecánicos. La invención propone medios ópticos, como un haz láser, para conocer el ángulo impuesto por la rejilla de alambre del polarizador, que actúa como un elemento de difracción y que genera un patrón de difracción dado. Usando un láser como medio difractado, haciendo pasar el mismo a través del polarizador y proyectando contra un plano, es posible obtener una referencia visual de cómo la rejilla o grilla de alambre difracta el haz, acción indicativa del ángulo de polarización que imprime la rejilla de alambre sobre las ondas que inciden sobre él, ya sea el haz durante la determinación o la señal emitida por la fuente de señales, durante la aplicación de la invención.

[0031] Los polarizadores de rejillas de alambre son ampliamente utilizados en aplicaciones donde se requiere limpiar o separar una determinada polarización lineal. Considerando que la polarización impresa por la rejilla de alambre está dada por una orientación especial con la que se disponen los alambres, el patrón de difracción generado por dicha orientación especial es un indicativo directo de la orientación de los alambres y, consecuencialmente, del ángulo de polarización del polarizador. Este procedimiento permite conocer el ángulo de polarización en forma eficaz y con alta precisión, con un montaje simple.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

[0032] Como parte de la presente invención se presentan las siguientes figuras representativas de la misma, las que enseñan modalidades preferentes de la invención y, por lo tanto, no deben considerarse como limitantes a la definición de la materia reivindicada.

Fig. 1: Muestra un esquema representativo del sistema de acuerdo con una modalidad de la invención, en relación con el procedimiento para obtener la posición de una cámara en un UAV con respecto a la posición de una antena. Fig. 2: Muestra una vista en planta y en corte de un esquema representativo de un soporte a ser portado por un UAV, de acuerdo con una modalidad de la invención.

Fig. 3: Muestra un diagrama de bloques que representa el diseño de la fuente de señales, de acuerdo con una modalidad de la invención.

Fig. 4: Muestra dos gráficos que representan la determinación del ángulo de polarización por parte del sistema y método de la invención, de acuerdo con una modalidad preferente.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERENTES

[0033] En la Fig. 1 se aprecia el sistema (1) de la invención de acuerdo con una modalidad de ejemplo, que comprende al menos un vehículo aéreo no tripulado (UAV) capaz de posicionarse en vuelo dentro de un espacio aéreo circundante a al menos una antena, en este caso representada por un radiotelescopio (T). En la Fig. 1 puede apreciarse que el UAV, específicamente la al menos una cámara y la al menos una fuente de señales portado en el mismo, representados un conjunto de instrumentos (I) en la Fig. 1, son orientados hacia el radiotelescopio (T), específicamente hacia una zona objetivo (TZ) que rodea al radiotelescopio (T). Dicha zona objetivo (TZ) incluyendo una pluralidad de marcadores (M) dispuestos en la cercanía del radiotelescopio (T).

[0034] Además, la Fig. 1 representa la obtención de los datos de posición y ángulo de una señal emitida por la fuente de señales. De acuerdo con la invención, la posición de la pluralidad de marcadores (M) es una posición predeterminada, en este caso, mediante coordenadas terrestres (XG, YG, ZG) que son conocidas. Mediante técnicas de fotogrametría, analizando los datos de imágenes obtenidos mediante una secuencia de imágenes capturadas por la al menos una cámara portada por el UAV, es posible relacionar la posición de la pluralidad de marcadores (M) con la posición del UAV, específicamente del conjunto de instrumentos (I), que en la Fig. 1 se representa como coordenadas de la fuente (Xs, Ys, Ys). De esta manera, considerando que la posición relativa de la fuente de señales respecto del plano de imagen es conocida, es posible definir una referencia absoluta de la posición de la al menos una fuente de señales respecto de la posición de la al menos una antena o radiotelescopio (T), definida en un sistema de coordenadas del telescopio (XT, YT, ZT).

[0035] Mediante la aproximación anterior se demuestra que es posible reconstruir la posición de la al menos una fuente de señales, mediante técnicas de análisis y procesamiento fotogramétrico de la secuencia de imágenes de la zona objetivo (TZ) que es capturada durante el vuelo del UAV. Con ello es posible obtener datos de posición y ángulo de la señal emitida con alta precisión, que pueden ser sincronizados con los datos detectados o medidos por el radiotelescopio (T) durante el vuelo del UAV y la emisión de la señal, para obtener un conjunto de datos útiles para la calibración del radiotelescopio (T), denominado conjunto de datos para calibración.

[0036] En este contexto, a continuación se definen modalidades de los componentes del sistema de la invención, que deben considerarse como ejemplos no restrictivos pero útiles para interpretar el objeto técnico de la presente solicitud. Vehículo aéreo no tripulado (UAV)

[0037] Una fuente de calibración basada en UAVs, que operan a grandes altitudes, implica varios desafíos técnicos no solo en términos de la operación y prestaciones del UAV, sino que también en términos de las condiciones de vuelo.

[0038] En el caso de radiotelescopios, muchos de ellos se encuentran ubicados a alturas superiores a los 4000 metros sobre el nivel del mar, implicando que los UAVs a utilizar en estos casos deben estar diseñados para operar a gran altitud, donde el aire es menos denso que a nivel del mar. Por ejemplo, el sitio Cerro Toco, que alberga observatorios reconocidos como lo son ACT (Atacama Cosmology Telescopy), Simons Array (donde se realiza el experimento POLARBEAR, POLARization of the Background Radiation), CLASS (Cosmology Large Angular Scale Surveyor) y el Observatorio Simons, tiene una altura media de 5200 metros sobre el nivel del mar. Considerando el techo legal para UAVs comerciales de 500 metros sobre el suelo, esto significa alcanzar los 5700 metros, aproximadamente. Además, de acuerdo con una aplicación la presente invención se implementa en la calibración del campo lejano de observatorios, que en el caso del POLARBEAR implicaría volar el UAV a 6100 metros.

[0039] Al respecto, existen una serie de UAVs comerciales (como el DJI Matrice 600 Pro equipado con hélices de gran altitud) que tienen la capacidad de alcanzar fácilmente su altura máxima de vuelo de 500 metros sobre el nivel del suelo (limitada por software en la mayoría de los casos), realizando con éxito misiones de vuelo de 10 minutos en sitios de gran altitud como los mencionados en el párrafo precedente. Estas misiones se pueden repetir varias veces reemplazando los paquetes de baterías del UAV.

[0040] Adicionalmente, el UAV seleccionado debe ser capaz de portar el conjunto de instrumentos (I) que se representan en la Fig. 1 y que se ejemplifican en la Fig. 2, incluyendo electrónica asociada, carga que debe considerase en las especificaciones del UAV. En este ejemplo, el UAV seleccionado fue probado con diferentes cargas útiles, demostrando que puede levantar 4 kilogramos de forma segura sin perder estabilidad ni sobrecargar sus hélices. En este sentido, si se considera el uso de un estabilizador tipo gimbal, como el DJI Ronin MX, que pesa un poco más de 2 kilogramos, existe límite de margen de 2 kilogramos para el diseño de la fuente de señales, electrónica asociada y soporte. Dicho límite debe incluir a la cámara si la misma no está incorporada al UAV.

Soporte de la fuente de señales

[0041] La fuente de señales que debe portar el UAV, como elemento esencial para la calibración de una antena, debe tener una posición en vuelo determinable con precisión. Ello, en el contexto de la invención, implica conocer la posición relativa de dicha fuente respecto del plano de imagen de las imágenes capturadas por la cámara que también es portada por el UAV.

[0042] Para estos efectos, una modalidad de la invención contempla el diseño de un soporte configurado para albergar de manera fija a la fuente de señal y a la cámara, junto con la electrónica y unidades de control asociadas. Dicho soporte debe minimizar el peso de todo el conjunto de instrumentos a portar por el UAV, manteniendo una alta rigidez estructural que permita evitar variaciones entre la posición relativa de los componentes. El objeto principal del soporte es asegurar que la alineación entre la cámara y la fuente de señales, en especial la guía de ondas y el polarizador de rejilla de alambre, se mantenga constante durante los vuelos del UAV.

[0043] La Fig. 2 muestra un esquema representativo del soporte (20) que puede ser montado en el UAV, para sostener fijamente los componentes y equipos electrónicos que el UAV porta durante su vuelo, entre ellos, una fuente de señales (21) una cámara (22). En este ejemplo, la fuente de señales (21) está formada por un filtro (21a), un amplificador (21b), un multiplicador (21c), un guía de onda (2 Id) y un polarizador de rejilla de alambre (21e). Este último componente, que se considera parte de la fuente de señales (21), se incluye como elemento esencial en la determinación del ángulo de polarización de detectores que forman la antena a calibrar.

[0044] Además, como componente que forma parte de la fuente de señales (21), pero que en este caso también se muestra como unidades electrónicas diferentes, se muestra la unidad de control (23), en este caso ejemplificada mediante un tablero de lazo de seguimiento de fase, PLL (Pase- Locked Loop), (23a), un controlador de atenuación (23b) y una unidad de almacenamiento y procesamiento (23c), que puede ser un microcomputador del tipo Raspberry Pi. Dicha unidad de almacenamiento y procesamiento (23c) puede utilizarse para controlar la operación de los componentes asociados a la unidad de control (23), así como también para almacenar y/o preprocesar la secuencia de imágenes capturadas por la cámara (22). Preferentemente, según los requerimientos de procesamiento, los datos de imágenes que se obtienen a partir de la secuencia de imágenes capturadas son procesados por una unidad de procesamiento en tierra o en la nube, diferente a la portada en el UAV.

[0045] A modo de ejemplo, el soporte (20) de la Fig. 2 se diseña como un solo bloque para minimizar las deformaciones mecánicas, con refuerzos estructurales para los elementos críticos, y una distribución de los componentes destinada a facilitar el equilibrio del soporte unido al estabilizador y optimizar el montaje, operación y mantenimiento de los componentes. De manera ejemplar, las restricciones de volumen y peso se pueden determinar durante pruebas preliminares de vuelo con el UAV seleccionado, en este caso, con un dron DJI Matrice Pro 600 y un gimbal DJI Ronin MX, que limita la carga útil a 2 kg, restringida a un volumen de 160 x 240 x 130 mm.

[0046] En la solución de prototipo, se imprimió en 3D un soporte prototipo en plástico PLA (Acido Poliláctico) debido a sus características superiores de impresión 3D, como baja deformación, excelente adherencia al lecho de impresión y amplia disponibilidad. El prototipo se ha utilizado con éxito en pruebas de laboratorio en la determinación del ángulo de la rejilla de polarización y en pruebas de estabilidad en el tiempo de la fuente de señales y señales emitidas. Se considera que el soporte puede requerir el uso de materiales reforzados con fibra de carbono u otros materiales de prestaciones mejoradas, que ofrezcan mejor durabilidad y mínima expansión térmica. Esto puede ser útil en aplicaciones donde existe una gran variación térmica, por ejemplo. Fuente de señales

[0047] Para operar en el UAV, la fuente de señales debe satisfacer varias restricciones, incluido el consumo de energía, el tamaño y el peso. De acuerdo con este ejemplo, el diseño propuesto se basa en un tablero PLL y un multiplicador, operando en la banda D en el rango de 130-163 GHz. El prototipo diseñado presenta un tablero PLL basado en un chip ADF5355, controlado por una unidad de control del tipo microcomputador Raspberry Pi, referido en adelante como microcomputador, de manera que el tablero PLL genera una señal entre 10,83 y 13,6 GHz, cuando se utiliza el puerto 2x. Un filtro de paso de banda (10 - 14 GHz) bloquea el 1er armónico del tablero PLL, antes de que la señal se multiplique 12 veces por una cadena de amplificador/multiplicador como la VDI WR6.5AMC-I, evitando líneas no deseadas dentro de la banda. La frecuencia operativa se puede sintonizar en todo el rango de frecuencias, cubriendo toda la banda D de los instrumentos de destino, es decir, detectores de la antena a calibrar. En la Fig. 3 se presenta un diagrama de bloques de la fuente de señales, mostrando componentes principales y operatividad de la misma.

[0048] El multiplicador puede tener un puerto de control de potencia que se utiliza para cortar la señal, con una tasa límite de 1 kHz. Una onda cuadrada del microcomputador controla la velocidad del chopper o interruptor de corte que, en la aplicación de radiotelescopios, no puede exceder mucho más de 10 Hz dadas las propiedades de detección y lectura de los radiotelescopios. En el caso de radiotelescopios que utilizan moduladores de polarización, como el CLASS, la frecuencia de corte no puede superar el límite de Nyquist del modulador para permitir una correcta demodulación de la señal. Esto reduce la frecuencia de corte máxima a solo unos pocos hercios, según el experimento. Un segundo puerto controlado por voltaje permite atenuar la salida hasta 20 dB para establecer la potencia requerida a una frecuencia determinada, lo que se hace en pasos seleccionables según lo necesite la aplicación. Además, se utiliza una alimentación de guía de ondas abierta para acoplar la señal al aire, lo que proporciona una ganancia de casi 7 dBi. Se utiliza un polarizador de rejilla de alambre para producir una señal polarizada limpia al 99%. El modelo de energía de presupuesto predice que, para una distancia de 500 m, es posible subir hasta -8 dBm, antes de entrar en la región de respuesta no lineal del detector de la antena.

[0049] En un experimento se midió la potencia de salida de la fuente de señales en función de la frecuencia en toda la banda, lo que resultó en un perfil de señal suave con una diferencia de pico a pico de 13 dB, proporcionando una potencia máxima cerca de 135 GHz y una potencia mínima cerca de 147 GHz. También se realizaron pruebas de estabilidad de tiempo de potencia de la fuente de señales en condiciones controladas de laboratorio, lo que resultó en una dispersión promedio de 0,023 dB (0,53%), que fue relativamente uniforme en toda la banda, con valores de dispersión individual tan bajos como 0,0180 dB y no mayores de 0,0268. dB.

[0050] Además, se probó la estabilidad de frecuencia del tablero PLL, que mostró solo desviaciones moderadas de unos pocos kHz para cambios de temperatura del orden de 10 Kelvin, lo que significa cambios de menos de 200 kHz en la frecuencia de la señal emitida después del multiplicador de 12x. Estas desviaciones causaron solo cambios moderados en la potencia de salida, menos de 1 dBm, consistente con la respuesta de frecuencia de potencia del sistema. Estas desviaciones no son demasiado problemáticas en términos de mediciones del ángulo de polarización, ya que los detectores polarizados en los radiotelescopios objetivo están todos configurados en pares con polarización opuesta, lo que permite realizar mediciones diferenciales que cancelan la potencia en modo común, proporcionando mediciones directas del componente polarizado. En caso de que se use la fuente de señales para caracterizar la forma del haz o los lóbulos laterales, se necesitará una calibración más precisa de la dependencia de la potencia con respecto a la temperatura. Actualmente se implementa un oscilador de cristal con control de temperatura que ya ha mostrado mejoras significativas en términos de estabilidad de frecuencia frente a los cambios de temperatura ambiente.

[0051] En este contexto, la potencia transmitida de la fuente de señales debe ser suficiente para producir una relación señal/ruido significativa mientras se mantienen los detectores en su régimen lineal. Se considera como regla general que, para un bolómetro TES (transition-edge sensor) típico utilizado en un experimento CMB, las no linealidades comienzan en alrededor de 2 picovatios de potencia de entrada en el detector. Por otro lado, la potencia equivalente de ruido (NEP. Noise- equivalent power) más usual de detectores utilizados en este tipo de experimentos varía entre 20 y 60 atto-Watts multiplicado por la raíz cuadrada por segundo. Para el propósito de la invención en este campo de aplicación, se considera suficientemente buena una señal a ruido de 5 por medición de detector.

Ejemplo de aplicación

[0052] En esta sección se presenta la invención en relación con un ejemplo de aplicación, que no debe considerarse limitante en el alcance de la solución que se reivindica.

[0053] En este sentido, las mediciones del campo de polarización del fondo cósmico de microondas o radiación de fondo cósmico (CMB) pueden servir para validar las desviaciones que violan la paridad de los modelos estándar de electromagnetismo y gravedad. Las mediciones necesarias para este estudio son muy finas y, por lo mismo, son susceptibles a pequeñas sistemáticas o errores de calibración que afectan el ángulo de polarización absoluto de los detectores. Las simulaciones predicen que se requiere una precisión mínima de 0,2 grados para lograr mediciones precisas.

[0054] Las muy pocas fuentes de calibración polarizadas naturales disponibles en longitudes de onda milimétricas son incapaces de proporcionar esta precisión, lo que hace que las fuentes de calibración artificiales sean una opción atractiva. Dada la extrema sensibilidad, y el rango dinámico limitado de los detectores CMB, se dificulta la implementación de fuentes de calibración cerca del nivel del suelo, haciendo de la solución de la invención una muy aplicable para este caso.

[0055] Como se ha señalado, la invención corresponde a una fuente de calibración basada en UAV, presentando una fuente de señales montada en el UAV y especialmente diseñada para proporcionar una señal de referencia polarizada linealmente con un ángulo de polarización absoluto conocido con una precisión mejor que 0,1 grados. Dicha fuente de señales montada en un UAV se puede utilizar para determinar la polarización absoluta de experimentos CMB basados en tierra, con una precisión experimental general superior a 0,2 grados. De ser necesario, se puede determinar la emisión térmica del UAV para definir cómo ella afecta las mediciones de un radiotelescopio, evitando que esa emisión afecte el proceso de calibración. Sin embargo, se ha encontrado que la emisión térmica de un UAV comercial tipo, volando entre 100 y 500 m sobre la antena a calibrar, implica una emisión térmica detectable por la antena que no afecta el proceso.

[0056] Como se ha destacado anteriormente, la invención utiliza el análisis de la secuencia de imágenes capturada por una cámara que también está montada en el UAV, para reconstruir directamente la posición y orientación de la fuente de señales durante el vuelo del UAV. Preferentemente, ello se realiza mediante técnicas de fotogrametría, desacoplando la desalineación residual entre la fuente y el cuerpo del UAV.

[0057] La determinación de la posición y ángulo de la fuente de señales contempla como medida más crítica la del ángulo de alabeo (roll) de la fuente de señales, ángulo que está directamente relacionado con el ángulo de polarización de la señal emitida. Los otros dos ángulos, cabeceo y guiñada, son menos críticos dado el amplio perfil de antena de la fuente de señales. Además, es posible complementar el posicionamiento mediante análisis de imágenes con coordenadas de posición mediante sistema de posicionamiento GPS integrado o incorporado en el UAV que, dada la precisión centimétrica de un sistema de posicionamiento GPS RTK (Real-time kinematic), son lo suficientemente precisas.

[0058] En el ejemplo, se utiliza una cámara de video integrada, cuidadosamente alineada con la rejilla de alambre de polarización, para monitorear un sistema georreferenciado de puntos de referencia o marcadores alrededor de la antena, en la zona objetivo. Mediante dicha monitorización se define un sistema de coordenadas absolutas para la fuente de señales, que luego se puede transformar en coordenadas celestes, (ver Fig. 1). Implementando una rápida velocidad de fotogramas es posible conocer el ángulo de polarización de la señal emitida en el tiempo, cuando se sincroniza con los flujos de tiempo del radiotelescopio.

[0059] Este es el problema inverso a la aplicación típica de fotogrametría, que se utiliza para reconstruir la posición de marcas espaciales o la forma de un objeto a partir de las imágenes capturadas por la cámara. En la presente invención se busca determinar la posición de la cámara en base a puntos de referencia conocidos en el suelo. El procesamiento de las imágenes y reconstrucción de la posición de la cámara y, al estar con una alineación conocida, reconstrucción de la posición de la fuente, se realizan mediante unidades de procesamiento y software, que proporcionan rutinas para calibrar la óptica de la cámara, procesar las imágenes para detectar objetivos y determinar sus centroides, y para reconstruir la posición de la cámara y fuente de señales.

[0060] En un experimento se montó la cámara en el UAV y se reconstruyó la posición en el tiempo del UAV en base a la posición conocida de una serie de marcadores en el suelo. La posición en el tiempo del UAV se comparó con lo informado por un sistema de posicionamiento GPS RTK y una IMU integrada en el UAV, comprobándose que la reconstrucción mediante fotogrametría permite obtener la posición del UAV de manera precisa, como se muestra en la Fig. 4. En la Fig. 4, parte superior, se presenta la comparación entre el ángulo de alabeo reconstruido por la IMU del UAV y mediante el uso de fotogrametría basada en marcadores en el suelo y procesamiento de imágenes. En la parte inferior de la Fig. 4 se muestra el ángulo residual de la reconstrucción de fotogrametría referido a los valores de la IMU.

[0061] En consecuencia, la implementación de una serie de puntos de referencia o marcadores georreferenciados alrededor de una antena, que incluye la ubicación precisa de la antena, proporcionará una referencia absoluta que puede relacionarse con el ángulo de polarización de los detectores del radiotelescopio proyectados en el cielo. Pruebas experimentales muestran que el tamaño de objetivo más pequeño aceptable debe ocupar 3 píxeles de imagen de diámetro en las imágenes capturadas, lo que se traduce en 60 centímetros en el suelo cuando se opera a 500 metros del radiotelescopio dada la resolución de la cámara utilizada en el experimento. Esto es perfectamente factible en términos de fabricación e instalación de los marcadores en el sitio del radiotelescopio, lo que permite instalar tantos como sea necesario. Los resultados de laboratorio indican que 25 marcadores serían suficientes para este propósito.

[0062] Finalmente, la invención demuestra que un nuevo diseño basado en UAV para una fuente de calibración de polarización para experimentos CMB es completamente factible. El sistema se basa en gran medida en un sistema de análisis de imágenes y técnicas de fotogrametría para proporcionar un sistema de referencia absoluto en el tiempo durante el vuelo, mostrándose que es posible lograr una precisión objetivo de 0,1 grados en la medición del ángulo de polarización de la señal emitida. Esta nueva técnica abre un nuevo campo para la caracterización óptica de radiotelescopios y otras antenas donde sea preferible realizar una calibración mediante una fuente de señales posicionada en forma remota.

Alineación polarizador de rejilla de alambre y cámara

[0063] Como elemento complementario a la invención, se ha desarrollado una forma especial de calibrar o alinear el polarizador utilizado con la cámara, de manera de conocer la posición relativa del polarizador, en especial el ángulo de polarización, con respecto al plano de imagen de las imágenes capturadas por la cámara.

[0064] El objetivo final del análisis de imágenes es informar la posición de la fuente de señales, preferentemente, el ángulo de polarización de la fuente, en un sistema de coordenadas absoluto. Esto se traduce en determinar el ángulo relativo del polarizador de rejilla de alambre proyectado sobre la imagen de la cámara, que define el sistema de coordenadas de la cámara.

[0065] Esta alineación se puede realizar en un ambiente de laboratorio, después de que tanto la cámara como la fuente de señales, especialmente el polarizador de rejilla de alambre, se disponen en sus posiciones finales con respecto al UAV, por ejemplo, en el soporte diseñado para esos efectos. De esta manera, se usa la estabilidad del soporte para mantener la alineación entre componentes durante la operación del UAV.

[0066] Luego, la alineación consiste en hacer pasar un haz láser a través del polarizador de rejilla de alambre, hacia una pantalla en el fondo. Dicha pantalla se posiciona perpendicular al rayo, produciendo un patrón de difracción del has láser que se dispone en el mismo plano que la polarización transmitida por la fuente de señales, proyectando una línea recta en la pantalla que se puede ver y medir fácilmente en la imagen capturada por la cámara del sistema.

[0067] Mediante esta forma es posible recuperar el ángulo de polarización con una precisión mejor que un porcentaje de un grado, permitiendo conocer el ángulo relativo de la polarización de la señal emitida con respecto a la imagen capturada por la cámara del sistema. Con ello, es posible obtener datos de posición de origen y ángulo de la señal emitida durante el vuelo del UAV que porta la fuente de señales, datos que son utilizados en el proceso de calibración de la antena al sincronizarse con los datos detectados por la misma.